IAE2020.07.03

聚變能源創新:2020年加速推進
世界有一個重大問題需要解決。 到 2040 年,我們將需要 29 萬億千瓦時的新能源發電來支持地球上 90 億人口,電力需求將增長 45%。 風能、太陽能和其他形式的可再生能源可以很好地發揮關鍵作用,但它們易變、依賴天氣的性質意味著它們不適合替代其他大型化石燃料基荷電力。 短期電池以及新興的分佈式長期電池都可以支持有限的容量,但到 2040 年將無法提供具有經濟競爭力的解決方案。簡而言之,為了維持經濟增長,同時與化石燃料脫鉤,替代方案 將需要清潔、低成本的基荷能源。

從核聚變中產生能量被廣泛認為是 21 世紀的重大工程挑戰。 Fusion 有可能提供始終可用、對環境無害且分佈良好的能源解決方案。它還可以按需提供公用事業規模的能源,使其成為間歇性可再生能源和電池存儲的絕佳補充。圖 1 強調了在可再生能源生產和美國聯邦聚變系統滿足年需求 40%-90% 的任何情況下,核能如何成為解決方案的一部分。

很長一段時間以來,關於融合的說法一直是商業化仍然需要大約 20 到 30 年的時間。這種觀點主要源於生產大型國際資助項目所涉及的時間、成本和政治因素,包括 ITER(最初是國際熱核實驗反應堆),該項目於 1985 年構想,迄今為止已耗資超過 220 億美元。

然而,不斷變化的大量公共數據為私營部門活動的興起奠定了基礎,令人興奮的是,它加快了時間表。在 Equinor 的長期思想家、影響力投資者和智能能源行業資本的支持下,ENI 尋求未來的戰略優勢,少數私營公司現在的目標是在 2020 年代中期展示運營能源增益,並在 2030 年代初期展示可用的反應堆設計,此後具有商業可用性。下圖突出顯示了過去 10 年的投資活動,這清楚地說明了對該行業日益增長的興趣。當今投資者的共同點是,在您的投資組合中至少進行一項融合投資是必要的。

2050 年可再生能源生產比例

在過去三年中,我們在清潔技術論壇活動中聽取了主要參與者的意見,聚變領域的基調似乎正在從基於科學的對話轉移,問題集中在如何、何時以及是否可以實現淨收益(達到能量超過注入等離子體的能量速率),商業部署戰略,因為公司希望獲得工業夥伴關係。

使能技術如何改變遊戲規則
基於科學的核心挑戰一直是維持聚變系統持續運行的關鍵問題,並阻礙了持續的淨收益。對於任何設計,有效感知、監控和穩定操作的能力都受到可用計算能力的限制。然而,機器學習和深度學習人工智能的進步越來越有助於對核聚變能的探索。建模者現在可以:

成功預測聚變反應堆的中斷
預測等離子燃料中的真正破壞
減輕任何不穩定影響
建立進一步的安全措施
中斷預測至關重要。機器越大,中斷越大,成本就越高。例如,在價值 250 億美元的 ITER 託卡馬克裝置中,預計任何中斷都將是嚴重的,因為該項目希望在 2025 年進行初始等離子測試。包括谷歌在內的參與者和世界各地的眾多研究人員已承諾投入大量公共和私人資金,以確保直面這一挑戰。

新興技術
儘管存在幾種控制和容納聚變等離子體的方法,但最發達的方法是磁約束、慣性約束和磁化靶聚變。下圖突出了這些技術之間的主要區別,以及一些私人和公共示例。

磁約束聚變
最先進的技術,即磁約束聚變 (MCF),已成為包括 ITER 和 JET 在內的主要國際主導項目的首選解決方案。一個巨大的電磁場限制並加熱了一個稱為託卡馬克的環形反應堆內的等離子體燃料。自 1960 年代早期開發以來,已經建造了 200 多個託卡馬克。兩家美國私營部門創新者 Tokamak Energy 和 Commonwealth Fusion Systems 共籌集了超過 3.5 億美元的股權融資。

由於超導磁體技術的高要求,MCF 面臨反彈。 Commonwealth 的創新是一種新型高溫超導體,稀土鋇銅氧化物 (REBCO),用於減小尺寸和降低成本。該公司正在與麻省理工學院的等離子體科學與聚變中心合作建造 SPARC,這是一種產生淨能量增益的示範聚變裝置,最終將導致商業單位 ARC 的開發,該裝置旨在於 2030 年代初連接到電網. 慣性約束聚變 與 MCF 不同,慣性約束聚變 (ICF) 試圖在外部加熱和壓縮聚變燃料彈丸,以達到引發核聚變所需的高密度的非常高的溫度。對於開發中的主要 ICF 反應堆,使用高功率激光器來壓縮和加熱燃料。

 

總部位於英國的 First Light Fusion 是 ICF 目前的領跑者。以前曾考慮過彈丸融合,但 First Light 使用了一種低速且可預測的新型目標解決方案,並開發了一種新型驅動器,他們聲稱該驅動器比其他設計便宜 1000 倍。迄今為止,該公司已經籌集了 3500 萬美元,並希望通過從製造、許可和向買家銷售目標技術的商業模式進入市場。 磁靶融合 基於其他兩種技術的優勢,磁靶融合 (MTF) 尋求利用比用於 MCF 的等離子體密度更高的等離子體,但比 ICF 方法中使用的功率更低的激光器和其他驅動器。最終目標是顯著降低成本。近年來,MTF 在私下和公開方面都獲得了很大的發展勢頭,特別是在美國,美國能源部的 ARPA-E ALPHA 計劃為探索磁化目標融合路線提供了支持。 總部位於加拿大的 General Fusion 是該領域最發達的 MTF 玩家之一。在美國和俄羅斯政府 MTF 研究 30 年的基礎上,該公司已籌集超過 1.3 億美元的資金,用於到 2030 年開發 100-200MW 的機組。該公司已進入工業化戰略階段,最近與建築師/工程公司 Hatch 合作,以及其他,到 2024 年開發一個示範工廠。該工廠的規模將是一個完整的商業單元的四分之三。該團隊目前正在就在哪裡部署演示工廠進行決策,其中最大的興趣來自加拿大、英國和美國。

 

General Fusion 希望最終以每兆瓦時 50 至 60 美元的平均能源成本生產電力,並製定了一種商業模式來製造一個可以輕鬆部署以替代化石燃料基荷電力系統的系統。 替代燃料——未來的一個關鍵考慮因素 突出顯示的解決方案使用氘和氚 (DT) 作為基礎燃料。然而,採用 DT 方法會帶來一些獨特的問題。雖然氘是一種廣泛豐富的材料,但氚只能作為裂變的副產品獲得。最終,這意味著目前正在開發的許多聚變反應堆將依賴於裂變反應堆的運行。此外,任何以 DT 為燃料的反應堆中 80% 的能量都以中子流的形式出現,因此 DT 聚變反應堆具有裂變反應堆的許多缺點,包括產生大量放射性廢物和對反應堆部件的輻射損壞。

 

這些問題是任何類型的以 DT 為燃料的聚變反應堆所特有的,因此放棄託卡馬克而採用其他一些限制概念並不能緩解問題。因此,其他創新者也在尋找可替代的聚變燃料,例如質子硼 11 或氦 3,它們為長期用作聚變能源的燃料提供了有希望且可行的替代品。該領域的一個新參與者是 HB11,這是一家總部位於澳大利亞的公司,它使用氫硼燃料和非熱聚變方法。 HB11 使用激光作為粒子加速器來加速氫或質子,將其射過富硼樣品以產生聚變能量。目前正在為種子投資籌集資金,他們正在尋求開發一個初步的概念證明,並有望成為一個更大的融合競爭者。

私營部門和公共部門面臨的最大挑戰仍然是在很長一段時間內以經濟方式實現超過注入等離子體的能量速率的經濟速率。在紙面上,通過較小的實驗,理論上似乎可以維持淨收益,但這在開發人員設法建造商業單位之前無法得到測試和證明。這使得聚變既是一個理論物理問題,也是一個工程問題。此外,在示範工廠建成之前,無法真正證明聚變系統的經濟價值。

 

密切關注
監控其他沒有獲得那麼多資金的新興技術是非常值得的。僅去年一年,Cleantech Group 就追踪了七家新的私營聚變能源公司,包括德國的 Marvel Fusion、加拿大的 Type One Energy 和法國的 Renaissance Fusion 等等。

 

雖然許多人將先進裂變視為直接競爭對手,但第四代反應堆的早期商業化將為聚變市場提供寶貴的現場數據,以了解市場將如何響應核能向高溫應用(如製氫)提供清潔能源。